CC BY
106
УДК 622:83 С.Д. Викторов
ОБРАЗОВАНИЕ МИКРО - И НАНОЧАСТИЦ В ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ ГОРНОГО ПРОИЗВОДСТВА И РАЗРАБОТКА НОВЫХ МЕТОДОВ ОЦЕНКИ КАТАСТРОФИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ
Рассмотрены области горного производства как источники возникновения мельчайших частиц микро - и наноразмерного диапазона. Показаны особенности образования мельчайших частиц и их количество на разных стадиях разрушения горных пород. Экспериментально установлено явление эмиссии микро и наноминеральных частиц при одноосном сжатии образцов горных пород. Получены количественные оценки эмиссии частиц в зависимости от действующих напряжений в диапазоне от 300 нанометров до 5 микрометров. Ключевые слова: горные породы, взрывное разрушение, напряжение, деформация, эмиссия частиц, лазерная спектрометрия, прогнозирование, механическое разрушение.
последние годы изучение наночастиц, создание наномате-
X# риалов и нанотехнологий является одним из приоритетных направлений научных исследований во всем мире. Сложные физико-химические процессы с участием минеральных частиц, в том числе высокодисперсных с характерным размером менее одного микрона, играют существенную роль во многих явлениях, определяющих движение и преобразование вещества в окружающей среде. В атмосфере, горных породах, водной среде присутствует большое количество разнообразных ультрадисперсных частиц и наноструктурных веществ [1].
Исследование различных технологических процессов, связанных с добычей полезных ископаемых [2], показали возможность образования тонкодисперсных фракций на различных этапах горного производства. Установлено, что доминирующая роль при образовании техногенных минеральных частиц связана с взрывным разрушением горных пород. Поэтому актуальными являются фундаментальные исследования по раскрытию механизмов образования высокодисперсных частиц, наноструктурных изменений в горных породах при технологических взрывах, механическом разрушении и геодинамических процессах, происходящих при освоении минеральных ресурсов литосферы [3, 4].
При изучении механизмов сверхтонкого разрушения пород целесообразно дифференцированно рассматривать процессы, в которых разрушение пород связано с локальным динамическим воздействием на породу взрыва, бурового инструмента, и разрушением, спровоцированным техногенным геомеханическими процессами (перераспределением горного давления, сдвижением пород и т.п.).
Имеются экспериментальные доказательства образования мельчайших частиц дисперсностью до наноуровня при механическом разрушении металлов. В экспериментах по разрыву образцов металла инструментально зафиксировано образование наночастиц различного дисперсного состава и показана связь процессов образования с интенсивностью механического воздействия [5].
Минеральные наночастицы могут образовываться и в скальных массивах пород при их разрушении в результате критического изменения напряженно-деформированного состояния пород. Экспериментально установлено, что при разрушении образцов различных типов скальных пород область дробления породы до мелких фракций локализуется в достаточно узких зонах, суммарный объем которых не превышает нескольких процентов от объема образцов. В условиях неравнокомпонентного сжатия образцов пород с ростом величины главной компоненты наименьших сжимающих напряжений выход мелкодисперсных фракций снижается, а относительная доля субмикронных частиц в них возрастает [2].
Достаточно интенсивными источниками регулярного образования свободных минеральных наночастиц при добыче полезных ископаемых являются процессы бурения [2]. Экспериментальные исследования образования высокодисперсных частиц в процессах бурения выполнялись недостаточно целенаправленно и ограничивались в основном изучением фракций более 1 микрона. Из выявленных закономерностей следует, что распределение разрушенного материала по крупности описывается распределением Розина-Раммлера [6]. Натурные эксперименты, выполненные на одном из рудных карьеров, показали, что при бурении скважин диаметром 214 мм, выделение фракций менее 1,5 мкм составляет 2-2,5 кг/м.
Наиболее существенным источником минеральных наночастиц в применяемых геотехнологиях является процесс взрывного разрушения горных пород. Необходимость обеспечения высоких количественных показателей взрывной отбойки делает неизбежным суще-
ственно избыточную энергонасыщенность разрушаемого объема, что приводит к образованию высокодисперсных частиц. В настоящее время получено экспериментальное подтверждение факта образования высокодисперсных частиц при взрыве. Сделаны оценки количества образуемых субмикронных частиц в раздробленной взрывом горной массе [2, 4].
В результате исследований образования высокодисперсных фракций пород при взрывном разрушении можно заключить следующее. При промышленных взрывах доля высокодисперсных частиц составляет проценты от отбитой породы, что является наиболее высоким показателем среди источников техногенных минеральных наночастиц.
Из других источников поступления тонкодисперсной пыли в окружающую среду следует отметить склады отходов работы обогатительных фабрик - «хвостохранилищ». В процессе переработки руд на обогатительных фабриках измельчение идет до микронных размеров. Оценка показала, что фракции размером менее 10 мкм составляют для некоторых типов руд до 20% отходов обогатительных фабрик. Эти отходы заполняют огромные пространства вокруг обогатительных фабрик. Под действием энергии атмосферных потоков мельчайшие частицы поднимаются с поверхности «хвостохрани-лищ» и поступают в атмосферу со всеми вытекающими экологическими последствиями.
Для изучения деформирования и микроструктурных изменений образцов горных пород в результате взрывного воздействия вблизи заряда проведены исследования с помощью оптической микроскопии и рентгеноструктурного анализа, результаты которых представлены в работах [6, 7]. Исследования показали, что изменение состояния природного минерального вещества происходит в результате разноуровневых и разномасштабных процессов неупругой деформации структурных элементов горной породы. Именно с ними связаны остаточные изменения, наблюдаемые на дифракционных спектрах и изображениях, полученных с помощью оптической микроскопии. В частности, появление видимых нарушений сплошности является следствием процессов, происходящих на уровне кристаллической решетки. Определены параметры структурного состояния зерен кварца в образце песчаника до и после воздействия. Структурная поврежденность минералов, входящих в породу, неодинакова и зависит от различия и анизотропии их ме-
ханических свойств. В граните степень поврежденности минеральных зерен максимальна у полевого шпата, обладающего ярко выраженной анизотропией механических свойств. В настоящее время эти исследования по микроструктурной дезинтеграции пород получили дальнейшее продолжение, с помощью сканирующей электронной микроскопии проанализированы параметры структурного состояния образцов горных пород до и после воздействия. Следует отметить, что методы сканирующей и просвечивающей микроскопии широко применяются при исследовании микроструктуры твердых тел. Метод сканирующей микроскопии позволяет получать во вторично рассеянных электронах изображение образцов горных пород с увеличением 30 тысяч раз, проводить анализ минеральных объектов на химические элементы, изучать распределение химических элементов в заданных участках поверхности образца или вдоль заданного направления. Исследовались образцы горных пород как в виде отдельных частиц размером несколько миллиметров, так и осуществлялось сканирование всей поверхности образца.
Для изучения процессов изменения структуры различных видов горной породы была создана оригинальная методика испытания образцов при интенсивных динамических воздействиях [8-11]. В этой методике образцы горной породы или угля помещаются в специальную «ампулу сохранения» и подвергаются воздействию мощных ударных волн, вызванных детонацией зарядов взрывчатого вещества.
Образцы горных пород в виде пластинок размером 35*35*5 мм или кубиков размером 14*14*10 мм помещались в «ампулы сохранения». Зазор между стенкой ампулы и образцом устранялся за счет добавления кварцевого песка или порошка карбида кремния. Заряд состоял из нескольких тротиловых шашек и помещался на крышку ампулы. Вещество в ампулах фотографируется с различной степенью увеличения до и после взрывного воздействия.
Разработана компьютерная программа анализа фотографических изображений различного увеличения. Программа позволяет анализировать изображения, определять вид распределения частиц по их размерам, выполнять различные числовые оценки объектов на снимках.
Особый интерес представляют процессы разрушения угольных пластов. Нетронутый метанонасыщенный угольный пласт является равновесной системой «уголь-метан-природная влага». Под влия-
нием техногенного воздействия, когда изменяется напряженно-деформированное состояние пласта, в нем происходят необратимые структурные изменения. Эти изменения происходят на уровне микроструктур, содержащих молекулы метана.
В УРАН ИПКОН РАН выполняются исследования структур различных видов углей, опасных и не опасных по возможным выбросам метана и угля в процессе их разработки. Отрабатывается методика изучения изображений образцов угля при различном увеличении вплоть до изучения наноразмерных включений. Изучение изображений различных типов угля позволяет установить отличие в их структуре на различных масштабных уровнях и выявить особенности угля, отвечающие за возможность катастрофических явлений, связанных с выбросом метана и угля в процессах разработки угольных пластов. Эти исследования выполняются в настоящее время в нашем институте большой группой специалистов различного профиля и в ближайшее время ожидаются новые, интересные результаты.
Новое направление исследований структуры разрушения каменного угля связано с концепцией иерархической нарушенности геоматериалов, что открывает возможности для использования фрактальных методов [12]. Нарушенность угля рассматривается здесь как следствие наличия в нем неоднородностей различной природы (микротрещин, пор, включений и т.п.), как правило, снижающих прочность угля. Впервые установлена связь фрактальных свойств структуры оптически регистрируемой нарушенности углей и их предрасположенности к газодинамическому разрушению. В задачу исследований входило: 1) получение цифровых изображений поверхности кусочков углей, взятых из опасных и неопасных по внезапным выбросам угольных пластов; 2) анализ изображений с целью определения фрактальной размерности структуры нару-шенности; 3) использование в анализе изображений формализма мультифракталов. Для анализа цифровых изображений поверхности углей был использован мультифрактальный подход, позволяющий учесть особенности структурных объектов, неразличимых при обычном фрактальном анализе. Мультифрактальный анализ выполняется посредством статистического анализа, тем или иным способом сформированной на изображении меры, отражающей пространственное распределение какого-либо свойства объекта.
Гипотезу о мультифрактальности анализируемой меры проверяли с помощью регрессионного анализа зависимости статистиче-
ских моментов от масштабного фактора в двулогарифмических осях. Выявлено степенное поведение статистических моментов, что обосновывает применение формализма мультифракталов. Цель мультифрактального анализа состояла в построении скейлингспек-тра (спектра сингулярностей неоднородности изображения). В результате проведенного мультифрактального анализа получены спектры для наиболее характерных участков изображений поверхности углей.
На основании исследований установлено, что спектры образцов выбросоопасных углей гораздо шире спектров, характеризующих невыбросоопасные угли. Следовательно, ширина спектра сингулярностей может служить показателем предрасположенности углей к газодинамическим явлениям.
В результате выполненных за последнее время исследований выявлены новые закономерности ультрадисперсного разрушения горных пород при взрывном и квазистатическом разрушении. Для изучения механизма и моделей ультрадисперсного разрушения разработана методика и проведены экспериментальные исследования по оценке микро- и наномасштабных структурных изменений образцов различных горных пород в ближней зоне действия взрыва с использованием оптической и электронной микроскопии, рентгеноструктурного анализа. Исследования показали что, несмотря на сохранение трехмерной упорядоченности структуры минералов после взрыва, в минеральном агрегате наблюдаются интенсивные процессы неупругой деформации. Распределение появившихся нарушений сплошности неравномерно, что позволяет сделать вывод о протекании процессов неупругого деформирования как в объеме минеральных зерен так и на границах их контактов с соседними зернами. Изменение состояния природного минерального вещества происходит в результате разноуровневых и разномасштабных процессов неупругой деформации структурных элементов горной породы. Именно с ними связаны остаточные изменения, наблюдаемые на дифракционных спектрах и изображениях оптической микроскопии. Появление видимых нарушений сплошности является следствием процессов на уровне кристаллической решетки. По данным электронной микроскопии отмечается формирование после взрывного нагружения в образцах пород новой микроструктуры в виде системы микроблоков размером порядка десятков микрометров, разделенных микротрещинами шириной не-
сколько долей микрометров. На поверхности минерального объекта обнаружены отдельные техногенные минеральные частицы осколочного типа, размер которых зависит от петрографических особенностей горной породы. Структурная поврежденность входящих в породу минералов неодинакова и зависит от различия и анизотропии их механических свойств. Анализ экспериментальных данных позволяет сделать вывод о микро- и наномасштабных изменениях структуры горных пород при прохождении ударных волн.
Разделение среды на отдельные фрагменты при формировании и развитии системы макротрещин может играть определяющую роль с точки зрения количества образующихся пылевидных частиц при взрыве и других технологических воздействиях.
Показано, что при развитии процесса дробления геоматериала в зависимости от значения фрактальной размерности множества частиц суммарная поверхность частиц может стремиться от конечной до бесконечной величины. Для образования относительно большой доли высокодисперсных частиц требуются большие затраты энергии, поэтому образование субмикронных частиц и наночастиц возможно только в тех геомеханических процессах, при которых возможно поступление большой механической энергии в относительно малую область геоматериала.
Массовая доля высокодисперсных частиц размером порядка микрона зависит от условий разрушения, в частности от степени «стеснения» разрушаемой породы и от соотношения наибольшей и наименьшей компонент сжимающих напряжений. В условиях сильного сжатия или при интенсивных энергетических воздействиях реализуется логнормальное или степенное распределение частиц по размеру. В условиях свободного, «нестесненного» разрушения, что характерно для разрушения пород на стенках горных выработок, имеет место распределение Вейбулла. Наибольшую долю высокодисперсных частиц предполагает степенное распределение, однако и в этом случае, как показали теоретические оценки, доля субмикронных частиц от общей массы разрушенных фрагментов не может превысить одного процента. При кратковременных или относительно слабых квазистатических воздействиях на породу имеет большое значение зависимость прочности от размера дезинтегрируемых частиц. В этом случае доля субмикронных частиц будет составлять сотые и даже тысячные доли процента.
При повышении интенсивности динамической нагрузки на массив доля высокодисперсных частиц может возрасти более значительно. При массовых взрывах абсолютное количество материала, раздробленного до субмикронных частиц, может представлять большую экологическую опасность. Образование высокодисперсных частиц при взрывах объясняется тем, что чем больше скорость подвода энергии к дефектам, тем меньшие по размерам дефекты переходят в критическое состояние, т.е. тем в большей степени разрушение проявляется на субмикронном уровне и тем больше мельчайших частиц представлено в разрушенной массе.
Это важное физическое свойство может быть использовано для целенаправленной дезинтеграции горной породы до уровня субмикронных частиц, что имеет большое значение, например, при добыче золота, находящегося в породе в виде частиц размером от сотых до первых десятых долей микрона.
Динамические нагрузки на предварительно подготовленную измельченную породу, как показали наши исследования, а также исследования по механохимии, способствуют образованию дефектов внутри твердой фазы, чувствительных к последующим технологическим и, в частности, химическим воздействиям. Идея взрывного воздействия на фрагменты породы с целью ее глубокой дезинтеграции до субмикронных частиц представляется перспективной для практических приложений. Целесообразно расширить экспериментальные и теоретические фундаментальные исследования в области взрывного воздействия на уже частично разрушенную породу с целью ее глубокой дезинтеграции и извлечения субмикрон-ных полезных компонентов. Эти исследования требуют хорошую экспериментальную базу и должны проводиться на стыке механики деформируемого твердого тела, физики взрыва и механохимии с привлечением современных компьютерных технологий обработки результатов экспериментов по взрывному разрушению фрагментов пород. Результаты этих исследований могут стать научнотехнической базой для расширения инновационных разработок в области высокотехнологической переработки минерального сырья.
В последние время в УРАН ИПКОН РАН выполнены уникальные экспериментальные исследования генерации минеральных микро- и наноразмерных частиц в условиях одноосного сжатия образцов горной породы [13-15].
С целью изучения возможности эмиссии микро- и наночастиц со свободной поверхности при квазистатическом нагружении образцов горных пород и определения основных закономерностей этого явления разработана оригинальная методика лабораторных испытаний и проведены экспериментальные исследования. При разработке методики использовались две схемы испытаний. По одной - в образцах горных пород создавался измерительный объем в виде сквозного отверстия диаметром 6 мм. Внутренний объем отверстия соединялся с атмосферой через высокоэффективный воздушный фильтр (рис. 1, а). При испытаниях по другой схеме образец горной породы помещался в специальную изолирующую камеру, которая также соединялась с атмосферой через воздушный фильтр (рис. 1, б). Применение фильтра обеспечивало условия, при которых все измерения проводились в обеспыленной атмосфере с низкой фоновой концентрацией частиц (однонаправленный горизонтальный поток чистого воздуха после высокоэффективного фильтра, не пропускавшего частицы размером более 0,1 мкм). Выходной конец второй гибкой трубки присоединялся ко входу счетчика аэрозольных частиц. Количество и дисперсный состав образующихся минеральных частиц измерялись с помощью ручного счетчика частиц HAND HELD 3013 или 3016 - разработка компании Lighthose (рис. 2). Приборы предназначены для измерения числа частиц в объеме воздуха или иного газа, прокачанного через измерительный объем, позволяя контролировать эмиссию частиц в диапазоне 0,3-10 мкм. Их действие основано на анализе и подсчете световых импульсов, рассеянных отдельными частицами аэрозолей при их прокачивании через лазерный луч. а
Рис. 1. Схемы проведения экспериментальных исследований: а - образец со сквозным отверстием, б - образец в специальной камере
Световые импульсы преобразуются фотоприемником в электрические, амплитуда которых пропорциональна геометрическим размерам частицы. При проведении испытаний образцы пород подвергались одноосному сжатию.
Рис. 3. Общий вид экспериментального стенда
Таблица 1
Физико-механические свойства горных пород
Тип породы Плотность р, г/см3 Модуль Юнга Е10-4, МПа Коэффициент Пуассона V Прочность на сжатие осж, МПа Прочность на растяжение ор, МПа
Доломит 2,87 6,5 0,22 133 13
Уртит 2,80 4,9 0,27 107 15
Известняк 2,52 4,2 0,21 43 5
Регистрация числа частиц и их дисперсного состава проводилась с помощью счетчика аэрозолей через определенное время, например, 60 секунд. Общий вид экспериментального стенда представлен на рис 3. Физико-механические свойства образцов представлены в таблице.
Результаты измерений представлены на рис. 4, где по оси ординат отложено число частиц, генерируемых за время каждого единичного измерения (каждые 60 сек) для различных диапазонов размеров частиц.
На рис. 5 для образца доломита представлена зависимость количества частиц в диапазоне 0,3-0,5 мкм от напряжения сжатия. На графиках по оси ординат отложено приведенное значение количества образовавшихся частиц в единицу времени на единицу площади. По другой оси - приведенное значение напряжений, где о -предел прочности исследуемого образца горной породы на сжатие. Результаты экспериментов указывают на значительное увеличение генерации частиц при достижении определенного порога напряжений. Для образца известняка значительное увеличение частиц наблюдалось в диапазоне 0,3-0,5 мкм, а частицы размером более 0,5 мкм практически не генерировались. Для образцов уртита и доломита наибольшая генерация частиц наблюдалась в диапазоне 0,5-5 мкм, для уртита их количество превышало 20000 единиц.
На основе полученных результатов по эмиссии микро- и нано-размерных частиц предложен метод прогноза катастрофического макроразрушения горных пород. Предлагаемый метод прогноза катастрофического макроразрушения горных пород базируется на том факте, что с ростом нагрузки растет количество генерируемых с поверхности минеральных частиц в микро- и нанодиапазоне размеров.
§
800 700 600 500 400 300 200 100 0
0У3-0У5 0,5-5 > 5 мкм
мкм мкм
Диапазоны измерений, мкм
______________________________б___________________________
25000
20000
15000
10000
5000
0
■
0,3-0,5мкм 0,5-5 мкм >5 мкм
Диапазоны измерений, мкм
в
=г 25000
& 03 Т 20000
о
со 1— 15000
о <и У с; 10000
£ 5000
0,3-0,5 мкм 0,5-5 мкм >5 мкм Диапазоны измерений, мкм
Рис. 4. Количество образовавшихся частиц при одноосном сжатии образцов горных пород в диапазонах 0,3-0,5, 0,5-5 и 5-10 мкм: а) в образце известняка при напряжении о = 20 МПа; б) в образце доломита при напряжении о = 50 МПа; в) в образце уртита при напряжении о = 50 МПа
Количество частиц п, 1Ум3-с
б
Количество частиц и, 1/м *с
Рис. 5. Зависимость количества частиц от напряжения сжатия в образце доломита для диапазона: а) - 0,3- 0,5 мкм; б) -0,5- 5 мкм
Это объясняется тем, что при увеличении нагрузки рост дефектов происходит неоднородно по образцу, и чем ближе напряжения к предельным напряжениям в образце или массиве горной породы, тем больше прирост числа этих частиц.
В предлагаемом методе прогноза в породе предварительно создают измерительный объем и периодически регистрируют один или несколько параметров, характеризирующих состояние исследуемой породы. Измерительный объем выполняют в виде шпура, который герметизируют таким образом, чтобы он соединялся с атмосферой через высокоэффективный воздушный фильтр. После этого периодически отбирают пробы воздуха из внутреннего объема шпура и фиксируют количество частиц, образующихся в его объеме. В качестве параметров, характеризующих состояние исследуемой породы или материала, используют счетную концентрацию и функцию распределения по размерам частиц, генерируемых во внутреннем объеме шпура или отверстия исследуемой породы или материала. О наступлении состояния, предшествующего разрушению, судят по повышению счетной концентрации генерируемых частиц. В качестве измерительного прибора используется счетчик аэрозольных частиц, а зонд выполнен в виде двух пробоотборных трубок, снабженных одной или более герметичными заглушками, причем на находящемся вне измерительного объема входном конце первой пробоотборной трубки установлен высокоэффективный воздушный фильтр, а выходной конец второй пробоотборной трубки присоединен ко входу счетчика аэрозольных частиц. На рис. 6 приведена принципиальная схема определения состояния предразрушения массива горных пород.
В результате выполненных исследований получены количественные оценки генерации частиц в диапазоне 0,3-0,5 мкм в зависимости от действующих напряжений. Дисперсный состав генерируемых частиц и динамика их образования зависят от петрографических особенностей горных пород и степени их напряженности. Наибольшая генерация частиц наблюдается в момент увеличения нагрузки (для условий проведения эксперимента - первые 10 сек). При достижении определенного критического уровня наблюдается резкое возрастание интенсивности генерации частиц. Выявленные закономерности могут служить основой для разработки метода контроля напряженно-деформированного состояния горных пород. Интенсивная генерация высокодисперсных частиц в диапазоне 0,35,0 мкм должна свидетельствовать о том, что действующие в массиве горных пород напряжения близки к критическим.
Рис. 6. Принципиальная схема метода определения состояния массива на основе эмиссии микро - и наночастиц: 1 - объект исследования , 2 - шпур, созданный в исследуемом объекте, 3 - счетчик аэрозольных частиц, 4 - первая пробоотборная трубка, 5 - вторая пробоотборная трубка, 6 - высокоэффективный воздушный фильтр, 7 - герметичная заглушка
Настоящие результаты будут полезны для решения прикладных задач в горном деле и строительстве, в том числе для решения задач геомеханического обеспечения, направленного на своевременное обнаружение признаков, предшествующих возникновению аварийных ситуаций. Особую актуальность приобретают задачи, связанные с градостроительным освоением подземного пространства и мониторингом объектов, попадающих в зону влияния подземного строительства.
Выполненные исследования показали, что практически любые разрушения твердой среды сопровождаются возникновением малых частиц микро- и наноразмерного уровня. Согласно прямым экспериментам по одноосному нагружению образцов различных материалов при достижении уровня нагружения 0,6-0,8 от напряжения, при котором образцы разрушались, наблюдается образование мельчайших частиц - предвестников макроразрушения.
С физической точки зрения это явление достаточно ясное. Реальная горная порода, да и другие материалы, с точки зрения меха-
ники - это сложная система с элементами, обладающими различными механическими свойствами, в том числе и различными значениями прочности.
Такое строение реальной горной породы можно представить в виде иерархии структур различного масштабного уровня. При нагружении подобных систем возникают локальные области, в которых напряжение превышает прочность и происходит разрушение с возможностью образования частиц. Чем больше величина напряжения, тем больше таких локальных зон разрушения. При создании метода регистрации количества образования таких частиц имеется возможность инструментальной оценки близости материала к состоянию его макроразрушения. Этот вывод позволяет перейти к разработке принципиально новых методов контроля состояния различных механических систем.
Контроль за состоянием целиков - наиболее близкая задача в технологии горного производства. Отработав методику замера образования микрочастиц можно инструментально контролировать близость целиков к опасным значениям напряжения и возможность их разрушения.
Другой очень перспективной областью применения таких методов является контроль опасных состояний наиболее ответственных элементов строительных конструкций.
Это перспективно для высотного строительства, для оценки состояния различных перекрытий в строительстве (крыши рынков, перекрытия аквапарков и т.п.). Следующие объекты это гидросооружения, устойчивость различных элементов платин, опор генераторов на гидростанциях и прочее. Имеются обширные области применения полученных выводов для самых различных технологий.
Процессы образования микрочастиц сопровождают и другие явления, имеющие важное значение в горном производстве. Так, горные удары также могут сопровождаться процессом предварительного локального разрушения с образованием микрочастиц различного размера. Полагаем, что наряду с имеющимися методами сейсмического контроля, замера возникающих при этих процессах электромагнитных полей, может быть создана и методика замера микрочастиц. Это позволит получать прогноз возможного катастрофического явления еще одним видом инструментальных замеров.
Совместно с Курчатовским институтом были выполнены исследования по измерению образования частиц различных размеров при нагружении и разрушении образцов каменного угля. Установлена разная форма разрушения различных видов каменного угля и спектра образующихся микро - и наночастиц в этих испытания. Наряду с результатами исследований структуры угля при фотографировании и обработке изображения на различных масштабных уровнях изучение спектра образования мельчайших частиц угля дает еще один современный метод изучения свойств углей. Это может дать экспериментальную возможность более глубоко заглянуть в структуру каменных углей для новых научных подходов к оценке прогноза возникновения опаснейших процессов выбросов угля и метана, приводящих к трагическим последствиям.
Выводы
Выполнено рассмотрение областей горного производства как источников возникновения мельчайших частиц микро- и нанораз-мерного диапазона. Показаны особенности образования мельчайших частиц и их количество на разных стадиях разрушения горных пород.
Экспериментально установлено явление эмиссии микро- и наноминеральных частиц при одноосном сжатии образцов горных пород. Получены количественные оценки эмиссии частиц в зависимости от действующих напряжений в диапазоне от 300 нанометров до 5 микрометров. Показано, что дисперсный состав генерируемых частиц и динамика их образования зависят от свойств горных пород и степени их напряженности. Установлено, что степень неоднородности породы предопределяет значение нагрузки начала эмиссия микрочастиц. При эмиссии частиц имеется режим обострения - резкое возрастание ее интенсивности, что предшествует разрушению образца. Такой рост эмиссии частиц может служить индикатором приближающегося макроразрушения породы для контроля ее разрушения. Установленные закономерности и зависимости послужили основой разработки принципиально нового инструментального метода прогноза техногенных катастрофических явлений, связанных с неконтролируемым разрушением массива горных пород. Метод основан на регистрации генерации мик-ро- и наноминеральных частиц с поверхности массива горных пород с помощью контрольно-измерительной системы на основе лазерного счетчика частиц. В наибольшей степени метод может быть
эффективным при оценке опасности разработки рудных и угольных месторождений полезных ископаемых. В особых случаях, когда необходим всесторонний текущий контроль состояния массива горных пород, применение разработанного метода, наряду с другими методами оперативного инструментального контроля, повышает достоверность прогноза катастрофических явлений. Этот метод может быть применен и в других областях прогноза катастрофических явлений: за состоянием строительных конструкций, устойчивости различных перекрытий, состоянием тоннелей и т.п.
По результатам проведенных исследований структуры различного вида каменных углей можно заключить о применимости фрактального подхода к исследованиям их нарушенности. Фрактальные свойства структур нарушенности углей определяют их предрасположенность к газодинамическим явлениям. Полученные критериальные соотношения могут быть использованы в предварительном прогнозе возможности опасных газодинамических явлений при разработке угольных пластов, однако они нуждаются в уточнении с рассмотрением более широкого класса углей.
В заключении отметим, что проблема образование микро- и наночастиц в технологических процессах горного производства и разработка новых методов оценки катастрофических явлений находятся на стадии интенсивных исследований, накопления информации, определения иерархии научных направлений и поиска новых практических приложений.
------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Трубецкой К.Н., Викторов С.Д., Галченко Ю.П., Одинцев В.Н. Техногенные минеральные частицы как проблема освоения недр /Вестник РАН. - 2006. -т.76. - №4.- С. 318-332.
2. Чантурия ВА,Трубецкой, Викторов, Бунин ИЖ. Наночастицы в процессах разрушения и вскрытия геоматериалов. - М.: ИПКОН РАН, 2006, 216 с.
3. Ефремов Э.И., Никифорова В.А., Пономарев А.В. О взаимосвязи выхода мелких фракций при разрушении горных пород с параметрами импульсов различных ВВ. //Металлургическая и горнорудная промышленность - 2001.- №1.- С. 8890.
4. Адушкин В.В., Попель С.И., Шишаева С.И. Анализ мелкодисперсной фракции при разрушении горных пород взрывом и образовании скальных оползней/ Записки Горного института. - 2007. - т.171. - С. 32-38.
5. Александров П.А., Калечиц В.И., Хозяшева Е.С., Чечуев П.В. Исследование генерации частиц при разрыве металла/ Ультрадисперсные (нано-) материалы. Научная сессия МИфИ - 2003.-Т.8.-С. 296-297.
6. Кудряшов В.В., Викторов С.Д., Кочанов А.Н. О распределении минеральных частиц по размерам при разрушении горных пород. //Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. - №6. - 2006. - С. 68-72.
7. Викторов С.Д., Кочанов А.Н. Экспериментальные исследования микро-структурных изменений образцов горных пород при интенсивном взрывном нагружении /Взрывное дело. - 2009. - №101/58.
8. Викторов С.Д., Кочанов А.Н. Эволюция микроструктуры образцов горных пород в результате динамического нагружения.- /Сб. Труд. Третьей международной конференции «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов», Москва, 12-15 октября 2009. Под общей редакцией академика О.А. Банных - М. -М: Интерконтакт Наука - 2009.,- т. 2- С. 138-139.
9. Viktorov S.D., Kochanov A.N., Odintsev V.N. Sdudy of Conditions of Generation of Superfine Particles at Explosive Rock Destruction New Development on Engineering Blasting. Metallurgical Indastry Press, China, Beijing, - 2007. - p.124-126.
10. Viktorov S.D., Kochanov A.N. Rock Microstructure disintegration in case of breakage by blast /The 2nd Asian-Pacific Symposium on Blasting Techniques July 8-12, 2009, Dalian, China.- Metallurgical Industry Press, China.-2009. - p. 56-57.
11. Викторов С.Д., Кочанов А.Н., Александров П.А., Калечиц В.И., Шахов М.Н. Изучение микроструктуры и дисперсного состава горных пород после интенсивного динамического воздействия. //Инженерная физика. - 2010 - №6- С. 3944.
12. Трубецкой К.Н., Рубан А. Д., Викторов С. Д., Малинникова О. Н., Одинцев В. Н., Кочанов А. Н., Учаев Д. В. Фрактальная структура нарушенности каменных углей и их предрасположенность к газодинамическому разрушению. Доклады академии наук, 2010, том 431, № 6, С. 1-4.
13. Викторов С.Д., Кочанов А.Н., Осокин А.А. Определение состояния предразрушения горных пород по генерации микро- и наноразмерных частиц. Горный информационно-аналитический бюллетень, Труды научного симпозиума «Неделя горняка-2010», М. Изд. «Горная книга», 2010, С. 88-93.
14. Чантурия В.А., Викторов С.Д., Кочанов А.Н., Осокин А.А. Изучение эмиссии микро- и наноразмерных частиц при одноосном сжатии образцов горных пород. /Физико-механические свойства горных пород и композитов в нано-, мик-ро- и макрошкале. Тамбов.- 2010.- С. 5-7.
15. Викторов С.Д., Кочанов А.Н., Осокин А.А. Эмиссия микрочастиц при де-
формировании и разрушении образцов горных пород в условиях одноосного сжатия /Вестник Тамбовского государственного университета.- 2010.- т.15.- вып.3., С. 1163-1164. ЕШ ' '
— Коротко об авторе ----------------------------------------------------------
Викторов С.Д. - профессор, доктор технических наук,
зам. директора УРАН ИПКОН РАН, [email protected]
